DE102018120974A1

DE102018120974A1 - Verfahren zur Ermittlung eines Sollverbrennungsgaszustands für einen Dieselmotor

Info

Publication number: DE102018120974A1
Application number: DE102018120974.6A
Authority: DE
Inventors: Simon Zydek; Rolf Isermann
Original assignee: Technische Universitaet Darmstadt
Current assignee: Technische Universitaet Darmstadt
Priority date: 2018-08-28
Filing date: 2018-08-28
Publication date: 2020-03-05

Abstract

Die Erfindung betrifft Verfahren zur Ermittlung eines Sollverbrennungsgaszustands für einen Dieselmotor. In einem Optimierungsschritt werden Verbrennungsstellgrößen für im dynamischen Betrieb des Dieselmotors auftretende Kombinationen eines Motorbetriebspunkts und eines Verbrennungsgaszustands mit einem Optimierungsverfahren (6) hinsichtlich einer vorgegebenen Gütefunktion (7) bestimmt. In einem Sollwertbestimmungsschritt wird für sämtliche Motorbetriebspunkte jeweils der Verbrennungsgaszustand als Sollverbrennungsgaszustand bestimmt, bei dem ein Gütefunktionswert der Gütefunktion (7) ein Optimierungskriterium erfüllt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung eines Sollverbrennungsgaszustands für einen Dieselmotor.
Die Steuerung und Regelung von Dieselmotoren basiert auf dem vom Fahrer durch das Gaspedal oder auch über einen Tempomaten vorgegebenen und von dem Dieselmotor getriebeseitig zur Verfügung zu stellenden Solldrehmoment. Auf Grundlage des erfassten Solldrehmoments wird üblicherweise unter Verwendung entsprechender Kennfelder eine Solleinspritzmenge bzw. ein Solleinspritzvolumen berechnet, das über ein Common-Rail-Einspritzsystem des Dieselmotors in die Zylinder eingespritzt werden soll, um das dem Fahrerwunsch entsprechende Solldrehmoment bereitstellen zu können. Ausgehend von dem so ermittelten Solleinspritzvolumen sowie der messtechnisch erfassten Motordrehzahl werden ebenfalls unter Verwendung geeigneter Sollwertkennfelder Sollwerte des Ladedrucks sowie der benötigten Frischluftmasse berechnet. Darüber hinaus wird über geeignete Kennfelder ausgehend von dem Solleinspritzvolumen und der Motordrehzahl ein Sollwert für den Einspritzbeginn sowie ein Sollwert für den Common-Rail-Druck bestimmt. Ebenso erfolgt eine Verteilung der Gesamtsolleinspritzmenge bzw. des Gesamtsolleinspritzvolumens auf mehrere Voreinspritzvorgänge sowie auf einen Haupteinspritzvorgang.
Die so ermittelten Sollwerte des Gaspfades für den Ladedruck und die Frischluftmasse werden üblicherweise durch zwei dezentrale Strukturen geregelt. Der Ladedruck wird dabei über eine variable Turbinengeometrie oder über einen variablen Turbinenbypass eines Abgasturboladers des Dieselmotors geregelt, während die Frischluftmasse über einen Luftmassenmesser erfasst und durch die Position des Hochdruck-AGR-ventils eines Hochdruck-AGR-Systems geregelt wird.
Es ist aus eigenen Untersuchungen bekannt, dass im dynamischen Betrieb der Gaszustand der Verbrennungsluft in den Zylindern des Dieselmotors einen wesentlichen Einfluss auf die Entstehung von Emissionen im transienten Betrieb des Dieselmotors hat. Daher ist es sinnvoll, den Gaszustand der Verbrennungsluft während des dynamischen Betriebs des Dieselmotors zu steuern bzw. zu regeln. Zu diesem Zweck werden Sollwerte für den Gaszustand benötigt.
Als Aufgabe der Erfindung wird es daher angesehen, Sollwerte für den Gaszustand zu ermitteln, bei denen möglichst geringe Emissionen und ein möglichst geringer Kraftstoffverbrauch auftreten.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur Ermittlung von Sollverbrennungsgaszuständen für einen Dieselmotor gelöst, wobei in einem Optimierungsschritt Verbrennungsstellgrößen für im dynamischen Betrieb des Dieselmotors auftretende Kombinationen eines Motorbetriebspunkts und eines Verbrennungsgaszustands mit einem Optimierungsverfahren hinsichtlich einer vorgegebenen Gütefunktion bestimmt werden und wobei in einem Sollwertbestimmungsschritt für sämtliche Motorbetriebspunkte jeweils der Verbrennungsgaszustand als Sollverbrennungsgaszustand bestimmt wird, bei dem ein Gütefunktionswert der Gütefunktion ein Optimierungskriterium erfüllt. Durch den Verbrennungsgaszustand ist vorteilhafterweise der Zustand des Verbrennungsgases bestimmt, der unmittelbar vor dem nachfolgenden Verbrennungszyklus des Dieselmotors in den Zylindern des Dieselmotors vorliegt. Durch die Gütefunktion werden vorteilhafterweise Motorausgangsgrößen wie die bei dem Betrieb des Dieselmotors entstehenden Emissionen bewertet.
Damit die relevanten Motorausgangsgrößen auch im dynamischen Betrieb des Dieselmotors in gewünschten Bereichen liegen, müssen die die Verbrennung steuernden Eingangsgrößen des Dieselmotors auch für den dynamischen Betrieb vorgegeben werden. Aus regelungstechnischer Sicht handelt es sich bei der Entstehung der Emissionen im dynamischen Betrieb des Dieslemotors um einen äußerst dynamischen Prozess. Dieser dynamische Prozess wird im wesentlichen durch den totzeitbehafteten Gaspfad des Dieselmotors bestimmt.
Dadurch, dass bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Verbrennung bzw. die Motorausgangsgrößen unter Betrachtung des Verbrennungsgaszustands sowie der Verbrennungsstellgrößen optimiert werden, die nach dem Schließen der Einlassventile der Zylinder sowie dem Einspritzen des Kraftstoffs keiner wesentlichen Dynamik unterliegen, ist es möglich, den transienten Motorbetrieb in Bezug auf die ablaufende Verbrennung auf Basis einer stationären Motoroptimierung zu kalibrieren. Auf diese Weise ist keine zusätzliche Optimierung der Verbrennung für den dynamischen Betrieb erforderlich.
Vorteilhafterweise ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Gütefunktionswerte mit der Gütefunktion in Abhängigkeit eines Maßes für einen spezifischen Kraftstoffverbrauch und mindestens eines Maßes für leistungsspezifische Emissionswerte des Dieselmotors bestimmt werden. Der spezifische Kraftstoffverbrauch b_sfc ist vorteilhafterweise definiert als Quotient eines Kraftstoffmassenstroms ṁ_f in $\frac{mg}{s}$
und einer am Kolben des Dieselmotors indizierten Motorleistung P_i in kW : $b_{s f c} = \frac{{\dot{m}}_{f}}{P_{i}}$
Die indizierte Leistung am Kolben kann vorteilhafterweise mittels Zylinderdruckindiziertechnik aus einem Mitteldruck P_mi im Zylinder, einem Hubvolumen V_H des Zylinders und der Motordrehzahl n_eng bestimmt werden: $P_{i} = \frac{n_{e n g}}{120} p_{m i} V_{H}$
Als leistungsspezifische Emissionswerte werden vorteilhafterweise ein leistungsspezifischer Stickoxidemissionsmassenstrom m_psNO
x und ein leistungsspezifischer Rußemissionsmassenstrom m_pspm jeweils in $\frac{m g / s}{k W}$
in der Gütefunktion berücksichtigt: $m_{p s p m} = \frac{{\dot{m}}_{p m}}{P_{i}}$
$m_{p s N O x} = \frac{{\dot{m}}_{N O_{x}}}{P_{i}}$
In der Gütefunktion werden die Motorausgangsfunktionen vorteilhafterweise mit Gewichtungsfaktoren w_j gewichtet und addiert, so dass die Gütefunktion J_c erfindungsgemäß folgende Form aufweist: $J_{c} = w_{s f c} b_{s f c} + w_{p s N O_{x}} m_{p s N O_{x}} + w_{p s p m} m_{p s p m}$
Erfindungsgemäß ist vorteilhafterweise vorgesehen, dass die Motorbetriebspunkte durch eine Motordrehzahl n_eng und ein Motordrehmoment M_eng definiert sind. Die Motorbetriebspunkte werden durch den Fahrer über die angeforderte Motorleistung und den jeweils durch das Fahrzeuggetriebe vorgegebenen Gang vorgegeben.
Vorteilhafterweise ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Verbrennungsgaszustand durch einen relativen Sauerstoffanteil des Zylindergases X_cyl , eine Zylindergasmasse m_cyl und eine Zylindergastemperatur T_cyl bestimmt ist. Es hat sich bei eigenen Untersuchungen gezeigt, dass insbesondere diese im dynamischen Betrieb des Dieselmotors einen wesentlichen Einfluss auf die Entstehung von Emissionen haben.
Verbrennungsgaszustandswerte des Verbrennungsgaszustands werden vorteilhafterweise anhand von Modellgleichungen eines vorgegebenen Luft- und Abgaspfadmodells aus messbaren Gaszustandswerten bestimmt. Vorteilhafterweise werden zur Bestimmung der Verbrennungsgaszustandswerte ein relativer Sauerstoffanteil des Einlassbehältergases X_2i , ein Ladedruck P_2i und eine Einlassbehältergastemperatur T_2i verwendet.
Die Modellwerte werden mit Hilfe des Luft- und Abgaspfadmodells berechnet. Vorteilhafterweise wird der Verbrennungsgaszustand bzw. werden den Verbrennungsgaszustand bestimmende Verbrennungsgaszustandsgrößen des Verbrennungsgases für den jeweiligen Zylinder bestimmt, sobald Ein- und Auslassventile der Zylinder geschlossen sind und eine Änderung der Verbrennungsgaszustandsgrößen und insbesondere des relativen Sauerstoffanteils des Verbrennungsgases X_cyl und der Verbrennungsgasmasse m_cyl vor dem unmittelbar bevorstehenden Einspritzvorgang nicht mehr oder nur noch insbesondere im Hinblick auf die Verbrennungsgastemperatur T_cyl in einem zu erwartenden Maße erfolgt.
Der Sauerstoffanteil des Verbrennungsgases X_cyl ist definiert als Quotient aus einer in dem jeweiligen Zylinder vorliegenden Frischluftmasse m_air,cyl und einer Gesamtgasmasse in dem Zylinder m_cyl $X_{c y l} = \frac{m_{a i r, c y l}}{m_{a i r}}$
Neben der Frischluftmasse m_air,cyl werden vorteilhafterweise die Gesamtgasmasse in dem Zylinder m_cyl und die Verbrennungsgastemperatur T_cyl mit Hilfe des Luft- und Abgaspfadmodells bestimmt.
Vorteilhafterweise ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass es sich bei den Verbrennungsstellgrößen u um einen Einspritzwinkel φ_mi , um einen Einspritzdruck p_rail und/oder eine Gasbewegungsklappenposition u_cmf handelt. Bei Verwendung eines Common-Rail-Einspritzsystems handelt es sich bei dem Einspritzdruck vorteilhafterweise um den Common-Rail-Druck. Als Gasbewegungsklappe können erfindungsgemäß vorteilhafterweise Drallklappen oder Tumble-Klappen verwendet werden.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Optimierungsschritt während des Betriebs des Dieselmotors durch eine durch das Optimierungsverfahren vorgegebene Veränderung der Verbrennungsstellgrößen durchgeführt wird. Durch eine derartige und auch als Online-Optimierung bezeichnetes Vorgehen können optimierte Stellgrößenkennfelder bzw. Sollverbrennungsgaszustandswerte für den jeweiligen Sollverbrennungszustand mit einem vergleichbar geringen Messaufwand erzeugt werden, da die Optimierung in stationären Betriebspunkten erfolgen kann und eine aufwendige, klassische, dynamische modellbasierte Optimierung für den dynamsichen Betrieb daher nicht erforderlich ist.
Um eine Online-Optimierung der Verbrennung während des Betriebs des Dieselmotors und vorteilhafterweise während des Betriebs an einem Motorenprüfstand umzusetzen, ist es erforderlich, die Verbrennungsstellgrößen für alle im dynamischen Betrieb vorkommenden Kombinationen des Motorbetriebspunkts und der Verbrennungsgaszustände am Motorenprüfstand zu optimieren. Hierzu wird vorteilhafterweise der zu kalibrierende Motorbetriebsbereich in n_x _op Motorbetriebspunkte eingeteilt und in einem Optimierungsplan abgelegt. Für jeden dieser Motorbetriebspunkte wird erfindungsgemäß wiederum ein Optimierungsplan für die Verbrennungsgaszustände im Zylinder erstellt, in dem ein Verbrennungsgaszustandswertebereich, der im dynamischen Betrieb möglich ist, in n_ζ Verbrennungsgaszustandskombinationen unterteilt wird. Jede der insgesamt n_x _op n_ζ Eingangskombinationen wird erfindungsgemäß schließlich stationär am Prüfstand eingeregelt, um jeweils die Verbrennungsstellgrößen im Stationärbetrieb optimieren zu können. Als Aktoren werden hierbei für die Vorgabe der Verbrennungsgaszustände vorteilhafterweise die Gaspfadaktorik verwendet. Die Motordrehzahl wird erfindungsgemäß durch den Prüfstand vorgegeben. Um auch die eingespritzte Kraftstoffmasse im Stationärbetrieb regeln zu können, wird vorteilhafterweise eine geeignete Kraftstoffwaage als Messglied und das gesteuerte Kraftstoffvolumen des Steuergerätes als Stellgröße verwendet. Eine Online-Optimierung ist jeweils dann beendet wenn das Minimum der Gütefunktion gefunden wurde.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die zu einem als Sollverbrennungsgaszustand ausgewählten Verbrennungsgaszustand ermittelten Verbrennungsstellgrößen als Sollverbrennungsstellgrößen verwendet werden. Auf diese Weise wird während des Betriebs des Dieseelmotors mit den ermittelten Sollverbrennungsgaszuständen und den Sollverbrennungsstellgrößen erreicht, dass der Dieselmotor jeweils in den durch das Optimierungsverfahren ermittelten optimalen Betriebspunkten betrieben wird.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens werden anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Es zeigt:

1 ein schematisch dargestelltes Ablaufdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens.

In 1 wird der Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens schematisch dargestellt. Ausgehend von einem vorab ermittelten Motorbetriebspunktoptimierungsplan 1 für den Motorbetriebspunkt x_op =[n_eng,q_inj]^T , der durch die Drehzahl n_eng und die sich aus der Drehmomentanforderung des Fahrers ergebende Einspritzmenge q_inj bestimmt ist, und einem vorab ermittelten Verbrennungsgaszustandsoptimierungsplan 2 für den Sollverbrennungsgaszustand ζ_des =[m_cyl,des,T_cyl,des,X_cyl,des] ^T und einem dynamischen Verbrennungsgaszustandsmodell 3 zur Ermittlung des aktuellen Verbrennungsgaszustands ζ=[m̂_cyl,T̂_cyl,X̂_cyl]^T im Zylinder werden durch eine modellbasierte Gaspfadregelung 4 die jeweiligen Motorbetriebspunkt-Verbrennungszustandskombinationen vorgegeben und durch Ansteuerung einer Gaspfadaktorik eines Gaspfads 5 des Dieselmotors eingestellt. Die Gaspfadregelung 4 gibt Stellgrößen für einen Turbolader mit variabler Turbinengeometrie s_vgt,des , ein Hochdruck-AGR-Ventil s_hpegr,_des , ein Niederdruck-AGR-Ventil s_lpegr,des und eine Drosselklappe s_tv,des vor. Nach Einstellung der jeweiligen Motorbetriebspunkt-Verbrennungszustandskombination beginnt die Bestimmung von Verbrennungsstellgrößen u_c = [φ_mi,p_rail,u_vsa]^T eines Common-Rail-Einspritzsystems 6 mit einem Optimierungsverfahren 7 durch Minimierung einer Gütefunktion 8 in Abhängigkeit von Ausgangsgrößen y_c =[m_psNO _x,m_pspm,b_sfc]^T, die bei dem vorgegebenen Motorbetriebspunkt und dem eingeregelten Verbrennungsgaszustand aus einem Verbrennungsprozess 9 resultieren. Der sich bei dieser Optimierung für jeden Motorbetriebspunkt x_op = [n_eng,q_inj]^T ergebenden Verbrennungsgaszustand ζ = [m_cyl,des,T_cyl,des,X_cyl,des]^T wird anschließend als Sollverbrennungsgaszustand für diesen Motorbetriebspunkt x_op =[n_eng ,q_inj]^T verwendet. Die zu dem als Sollverbrennungsgaszustand ausgewählten Verbrennungsgaszustand ζ= [m_cyl,des,T_cyl,des,X_cyl,des]^T ermittelten Verbrennungsstellgrößen u_c = [φ_mi,p_rail,u_vsa]^T werden dann jeweils als Sollverbrennungsstellgrößen für den Motorbetriebspunkt x_op =[n_eng,q_inj]^T und dem ermittelten Sollverbrennungsgaszustand verwendet.

Claims

Verfahren zur Ermittlung eines Sollverbrennungsgaszustands für einen Dieselmotor, wobei in einem Optimierungsschritt Verbrennungsstellgrößen für im dynamischen Betrieb des Dieselmotors auftretende Kombinationen eines Motorbetriebspunkts und eines Verbrennungsgaszustands mit einem Optimierungsverfahren (6) hinsichtlich einer vorgegebenen Gütefunktion (7) bestimmt werden und wobei in einem Sollwertbestimmungsschritt für sämtliche Motorbetriebspunkte jeweils der Verbrennungsgaszustand als Sollverbrennungsgaszustand bestimmt wird, bei dem ein Gütefunktionswert der Gütefunktion (7) ein Optimierungskriterium erfüllt.
Verfahren gemäß einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gütefunktionswerte mit der Gütefunktion (7) in Abhängigkeit eines Maßes für einen spezifischen Kraftstoffverbrauch und mindestens eines Maßes für leistungsspezifische Emissionswerte des Dieselmotors bestimmt werden.
Verfahren gemäß Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Motorbetriebspunkte durch eine Motordrehzahl und ein Motordrehmoment definiert sind.
Verfahren gemäß einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsgaszustand durch einen relativen Sauerstoffanteil des Zylindergases, eine Zylindergasmasse und eine Zylindergastemperatur bestimmt ist.
Verfahren gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass Verbrennungsgaszustandswerte des Verbrennungsgaszustands anhand von Modellgleichungen eines vorgegebenen Luft- und Abgaspfadmodells aus messbaren Gaszustandswerten bestimmt werden.
Verfahren gemäß einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Verbrennungsstellgrößen um einen Einspritzwinkel, um einen Einspritzdruck und/oder eine Luftbewegungsklappenposition handelt.
Verfahren gemäß einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Optimierungsschritt während des Betriebs des Dieselmotors durch eine durch das Optimierungsverfahren vorgegebene Veränderung der Verbrennungsstellgrößen (6) durchgeführt wird.
Verfahren gemäß einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zu einem als Sollverbrennungsgaszustand ausgewählten Verbrennungsgaszustand ermittelten Verbrennungsstellgrößen als Sollverbrennungsstellgrößen verwendet werden.